A Amazon Web Services (AWS) anunciou hoje (27/02) o Ocelot, um novo chip de computação quântica que pode reduzir os custos de implementação da correção de erros quânticos em até 90%, em comparação com as abordagens atuais. Desenvolvido pela equipe do AWS Center for Quantum Computing no California Institute of Technology, o Ocelot representa um avanço na busca pela construção de computadores quânticos tolerantes a falhas, capazes de resolver problemas de importância comercial e científica que estão além do alcance dos computadores convencionais de hoje.
A AWS usou um novo design para a arquitetura do Ocelot, criando correção de erros do zero e usando o “qubit cat”. Os qubits de gato — nomeados em homenagem ao famoso experimento mental do gato de Schrödinger — suprimem intrinsecamente certas formas de erros, reduzindo os recursos necessários para a correção de erros quânticos. Por meio dessa nova abordagem com o Ocelot, os pesquisadores da AWS combinaram, pela primeira vez, a tecnologia qubit cat e componentes adicionais de correção de erros quânticos em um microchip que pode ser fabricado de maneira escalável usando processos emprestados do setor de microeletrônica.
A história mostra que avanços importantes na computação foram feitos repensando fundamentalmente os componentes de hardware, pois isso pode ter um impacto significativo no custo, no desempenho e até mesmo na viabilidade de uma nova tecnologia. A revolução do computador realmente decolou quando o transistor substituiu o tubo de vácuo, permitindo que computadores do tamanho de uma sala fossem reduzidos aos laptops compactos e muito mais poderosos, confiáveis e de baixo custo de hoje. Escolher o bloco de construção certo para escalar é fundamental, e o anúncio de hoje representa um passo importante no desenvolvimento de meios eficientes para expandir para computadores quânticos práticos e tolerantes a falhas.
“Com os recentes avanços na pesquisa quântica, não é mais uma questão de se, mas quando computadores quânticos práticos e tolerantes a falhas estarão disponíveis para aplicações no mundo real. O Ocelot é um passo importante nessa jornada”, disse Oskar Painter, diretor de hardware quântico da AWS. “No futuro, os chips quânticos construídos de acordo com a arquitetura Ocelot podem custar apenas um quinto das abordagens atuais, devido ao número drasticamente reduzido de recursos necessários para a correção de erros. Concretamente, acreditamos que isso acelerará nosso cronograma para um computador quântico prático em até cinco anos.”
Os pesquisadores da AWS publicaram suas descobertas em um artigo de pesquisa revisado por pares na Nature.
O maior desafio da computação quântica
Um dos maiores desafios dos computadores quânticos é que eles são incrivelmente sensíveis às menores mudanças ou “ruídos” em seu ambiente. Vibrações, calor, interferência eletromagnética de telefones celulares e redes Wi-Fi, ou mesmo raios cósmicos e radiação do espaço sideral podem tirar os qubits de seu estado quântico, causando erros. Historicamente, isso tornou extremamente desafiador construir computadores quânticos que possam realizar cálculos confiáveis e sem erros de qualquer complexidade significativa. “O maior desafio não é apenas construir mais qubits”, disse Painter. “Está fazendo com que funcionem de forma confiável.”
Para resolver esse problema, os computadores quânticos contam com a correção de erros quânticos que usa codificações especiais de informações quânticas em vários qubits, na forma de qubits “lógicos”, para proteger as informações quânticas do ambiente. Isso também permite a detecção e correção de erros à medida que eles ocorrem. Infelizmente, dado o grande número de qubits necessários para obter resultados precisos, as abordagens atuais para a correção de erros quânticos têm um custo enorme e, portanto, proibitivo.
Uma nova abordagem para a correção de erros quânticos
Para resolver os problemas atuais associados à correção de erros quânticos, pesquisadores da AWS desenvolveram o Ocelot. O Ocelot foi projetado desde o início com correção de erros “integrada”. “Analisamos como os outros estavam abordando a correção de erros quânticos e decidimos seguir um caminho diferente”, disse Painter. “Não pegamos uma arquitetura existente e tentamos incorporar a correção de erros depois. Selecionamos nosso qubit e arquitetura com correção de erro quântico como o principal requisito. Acreditamos que, se vamos fazer computadores quânticos práticos, a correção de erros quânticos precisa vir em primeiro lugar.” De fato, de acordo com Painter, sua equipe estima que escalar o Ocelot para um “computador quântico completo capaz de causar impacto social transformador exigiria apenas um décimo dos recursos associados às abordagens padrão de correção de erros quânticos”.
Uma maneira de pensar sobre a correção quântica é no contexto do controle de qualidade na fabricação e a diferença entre precisar de um ponto de inspeção para detectar todos os defeitos, em vez de 10 pontos de inspeção. Em outras palavras, oferece o mesmo resultado, mas com menos recursos e um processo de fabricação geral aprimorado. Ao reduzir a quantidade de recursos necessários por meio de abordagens como o Ocelot, os computadores quânticos podem ser construídos menores, de forma mais confiável e a um custo menor. Tudo isso acelera o caminho para o uso da computação quântica em aplicações futuras no mundo real, como descoberta e desenvolvimento mais rápidos de medicamentos, produção de novos materiais, capacidade de fazer previsões mais precisas sobre estratégias de risco e investimento nos mercados financeiros e muito mais.
Tornando a ficção científica um fato
Embora o anúncio de hoje seja um começo promissor, o Ocelot ainda é um protótipo e a AWS está comprometida em continuar investindo em pesquisa quântica e refinando sua abordagem. Da mesma forma que foram necessários muitos anos de desenvolvimento e aprendizado de execução de sistemas x86 (uma arquitetura de computador amplamente usada para unidades centrais de processamento) de forma confiável e segura em escala para transformar o Graviton em um dos principais chips da nuvem, a AWS está adotando uma abordagem semelhante à computação quântica. “Estamos apenas começando e acreditamos que temos vários outros estágios de dimensionamento para passar”, disse Painter. “É um problema muito difícil de resolver e precisaremos continuar investindo em pesquisa básica, mantendo-nos conectados e aprendendo com o importante trabalho que está sendo feito na academia. No momento, nossa tarefa é continuar inovando em toda a pilha de computação quântica, continuar examinando se estamos usando a arquitetura certa e incorporar esses aprendizados em nossos esforços de engenharia. É um flywheel de melhoria contínua e dimensionamento.”
Como começar a usar a computação quântica
Os clientes podem começar a explorar a computação quântica hoje mesmo com o Amazon Braket na AWS. O Amazon Braket é um serviço de computação quântica totalmente gerenciado que permite que cientistas, desenvolvedores e estudantes trabalhem com uma variedade de hardware de computação quântica de terceiros, simuladores de alta performance e um conjunto de ferramentas de software que facilitam a introdução à computação quântica.
Ocelot: fatos rápidos
- O Ocelot é um protótipo de chip de computação quântica, projetado para testar a eficácia da arquitetura de correção de erros quânticos da AWS.
- Consiste em dois microchips de silício integrados. Cada chip tem uma área de aproximadamente 1cm2. Eles são ligados um em cima do outro em uma pilha de cavacos conectada eletricamente.
- Na superfície de cada microchip de silício estão finas camadas de materiais supercondutores que formam os elementos do circuito quântico.
- O chip Ocelot é composto por 14 componentes principais: cinco qubits de dados (os qubits cat), cinco ‘circuitos de buffer’ para estabilizar os qubits de dados e quatro qubits adicionais para detectar erros nos qubits de dados.
- Os qubits cat armazenam os estados quânticos usados para computação. Para fazer isso, eles contam com componentes chamados osciladores, que geram um sinal elétrico repetitivo com tempo constante.
- Os osciladores de alta qualidade da Ocelot são feitos de uma fina película de material supercondutor chamada tântalo. Os cientistas de materiais da AWS desenvolveram uma maneira específica de processar tântalo no chip de silício para aumentar o desempenho do oscilador.
Como funcionam os computadores quânticos?
Os computadores quânticos têm o potencial de impulsionar grandes avanços na sociedade e na tecnologia, desde a criptografia até a engenharia de novos materiais. A principal diferença entre os computadores convencionais ou “clássicos” que usamos hoje e os computadores quânticos é que os computadores clássicos usam bits – geralmente representados como um valor digital de 1 ou 0 – como sua unidade de informação mais básica. Mas os computadores quânticos usam bits quânticos, ou ‘qubits’ — geralmente partículas elementares, como elétrons ou fótons — para fazer cálculos. Os cientistas podem aplicar pulsos eletromagnéticos precisamente cronometrados e ajustados para manipular o que é chamado de “estado quântico” do qubit, onde pode ser 1 e 0 ao mesmo tempo. Esse comportamento alucinante, quando executado em muitos qubits, permite que um computador quântico resolva alguns problemas importantes exponencialmente mais rápido do que um computador clássico jamais poderia.
